激光預加工對鋁化物滲層低溫成形工藝的影響

張現虎，張平，葉展，樊宇

（1.兗礦東華重工有限公司 煤機裝備制造分公司，山東 鄒城 273500；2.中國礦業大學 材料與物理學院，江蘇 徐州 221116；3.張化機（蘇州）重裝有限公司，江蘇 蘇州 215634）

鎳基高溫合金是目前在役的綜合性能最優良的高溫金屬結構材料，被廣泛應用于航空發動機及燃氣輪機等熱端部件。為了這些熱端部件能長期承受高溫氧化和燃氣腐蝕，需要在其表面施加保護涂層[1]。鋁化物涂層廣泛應用于鎳基高溫合金的表面防護，該類涂層包括簡單鋁化物涂層和改性鋁化物涂層兩種。前者是在高溫合金基體上單一滲Al 所得到的涂層，具有良好的抗氧化性能，但其抗熱腐蝕能力欠佳[2]。改性鋁化物涂層是在簡單鋁化物涂層中加入少量Si，Cr，Co，Pt 或稀土等元素[3—10]，可明顯提高涂層的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能。

固體粉末包埋滲法是鎳基高溫合金表面鋁化物涂層及改性鋁化物涂層最常見的制備方法[3,7—10]，該方法實質是一種原位化學氣相沉積技術，被滲元素在基體表面形成涂層的過程，大多受擴散過程所控制。擴散激活能Q與溫度T是決定擴散系數D的相關因素，存在Arrhenins 關系，即D=D0×exp(?Q/RT)。目前常規的包埋滲過程主要依靠單純的熱（溫度）擴散。由于擴散激活能Q太大，因此，大多需要經過高溫、長時間的加熱保溫處理，而這會導致基體材料形成粗晶組織，降低其力學性能。

表面微/納米化技術是采用非平衡處理的方法，增加材料表面的自由能，使粗晶組織逐漸細化成細晶甚至納米晶[11—12]。細晶/納米晶組織中，晶界的體積分數明顯增大，為原子擴散提供了理想的通道，因此更容易進行化學熱處理[13]。文中主要目的為：①在鎳基高溫合金表面制備Co-Si-Y 聯合改性鋁化物滲層；② 在保證獲得具有優化組織結構滲層的基礎上，驗證通過激光熔凝預處理來對合金表面晶粒進行細化從而降低涂層制備溫度的可行性。

1 試驗

選用K4169 鎳基高溫合金為基體材料，采用線切割方法制備 20 mm×20 mm×5 mm 的試樣，用80#～1000#的SiC 水砂紙依次對其打磨，并用無水乙醇進行超聲波清洗后吹干；采用4 kW 半導體激光器對試樣表面進行激光熔凝處理，工藝參數為：掃描速度為500 mm/min，重疊率為50%，束斑直徑為4 mm，掃描功率為900 W。

鋁化物滲層制備是在高溫箱式爐中進行。滲劑組成為 15Co-10Si-10Al-2Y2O3-5NaF-58Al2O3（質量分數），混合后經過了4 h 的球磨細化。試驗時將合金試樣埋入裝有滲劑的剛玉坩堝中，蓋好蓋子后用高溫粘結劑密封。為對比激光熔凝預處理前后對合金表面改性鋁化物滲層制備工藝的影響，合金試樣分別在900 ℃和1050 ℃下進行5 h 的Co-Si-Al-Y 共滲處理，升溫速率約為8 ℃/min。

用金相顯微鏡觀察激光熔凝處理前后的合金組織形貌，用X 射線衍射儀（XRD,Bruke D8）確定滲層的相組成，通過掃描電鏡（SEM，JSM-6460）及能譜儀（EDS）、電子探針（EPMA，EPMA-8500A）及波譜儀（WDS）觀察涂層的組織形貌并確定微區成分組成及分布。

2 結果與分析

2.1 激光熔凝顯微組織

圖1a—b 分別給出了鎳基高溫合金試樣激光熔凝處理前后表層截面的金相組織。可見，經激光熔凝處理后，合金試樣表面晶粒尺寸明顯得到細化，且由外到內依次為晶粒細化區、過渡區及原始晶粒區。激光熔凝本質上是一種快速凝固技術，利用高能激光束使合金表面區域快速熔化，并在高的溫度梯度作用下快速凝固，從而使合金表面獲得細晶組織[14]。合金表面晶粒細化后，單位體積內的晶界數量增多，為被滲原子的擴散提供了通道，可起到催滲的作用[15]。

圖1 K4169 鎳基高溫合金試樣激光熔凝前后表層的金相照片Fig.1 Metallographic images of surface layer of K4169 nickel base superalloy before and after laser remelting

2.2 激光熔凝處理對滲層制備工藝的影響

圖2 不同工藝條件下制備的改性鋁化物滲層表面XRD 圖譜Fig.2 Surface XRD patterns of the modified aluminide coatings prepared at 900 ℃/5 h (a),1050 ℃/5 h(b) and 900 ℃/5 h after laser remelting pretreatment (c)

圖2 所示分別為鎳基高溫合金表面900 ℃/5 h（見圖2(a)），1050 ℃/5 h（見圖2(b)）及經激光熔凝預處理后900 ℃/5 h（見圖2(c)）所制備的Co-Si-Y 改性鋁化物滲層的表面XRD 圖譜。可知，不同狀態下所制備的滲層外部具有相同的組成相，即NiAl 相；沒有出現Co 或Si 的晶體相衍射峰，這說明Co 和Si在滲層中的存在形式是固溶態。此外，XRD 圖譜中還出現了Al2O3的衍射峰，這可能是殘余滲劑在試樣表面的粘附造成的或者是由于滲層外擴散生長機制導致滲劑中Al2O3顆粒被包裹其中。綜上所述，文中激光熔凝處理及滲層制備溫度對滲層表層的組成相影響不大。

鎳基高溫合金表面900 ℃/5 h，1050 ℃/5 h 及經激光熔凝預處理后900 ℃/5 h 所制備的Co-Si-Y 改性鋁化物滲層的橫截面金相組織見圖3。可知，合金表面經900 ℃/5 h 所制備的滲層厚度約為60 μm，遠低于經1050 ℃/5 h 所制備的滲層厚度（150 μm），可見滲層制備溫度對滲層的厚度影響顯著；但合金經激光熔凝預處理后，其表面經900 ℃/5 h 所制備的滲層厚度約為140 μm，這與未預處理合金的經1050 ℃/5 h所制備的滲層厚度相當。激光熔凝處理使合金表面層的組織細化，形成了大量的晶界和晶體缺陷，為原子擴散提供了快速通道，降低了擴散激活能，使原子在相對較低的溫度下擴散成為可能。由此可見，激光熔凝預處理可有效降低合金表面鋁化物滲層的制備溫度，減輕滲層制備時的高溫長時處理對基體合金力學性能的影響。

圖3 不同工藝條件下制備的改性鋁化物滲層金相照片Fig.3 Metallographic images of the modified aluminide coating prepared at 900 ℃/5 h (a),1050 ℃/5 h (b) and 900 ℃/5 h after laser remelting pretreatment (c)

圖4 不同工藝條件下制備的改性鋁化物滲層橫截面背散射像及元素分析Fig.4 Cross section BSE images and element mapping of the modified aluminide coatings prepared at 1050 ℃/5 h(a) and 900 ℃/5 h after laser remelting (b)

鎳基高溫合金經1050 ℃/5 h 及經激光熔凝預處理后900 ℃/5 h 所制備的Co-Si-Y 改性鋁化物滲層的橫截面BSE 像及元素面分布情況見圖4。可見，兩滲層具有相似的組織結構，都由3 層組成。由圖4 可知，滲層外層主要由Co，Al，Ni 和Fe 元素組成，結合表面XRD 圖譜分析結果（見圖2b—c），可知該層為NiAl。NiAl 相中的部分Ni 被Co 和Fe 所取代。滲層中間層主要由Al，Si，Ni，Cr 和Fe 元素組成，經EDS 成分分析結果表明，該層也主要由NiAl 相組成，NiAl 相中的部分Ni 被Cr 和Fe 所取代，Si 在其中的原子數分數約為1.2%。滲層內層為典型的互擴散區，該互擴散區的生成說明滲層形成過程中存在基體元素Ni，Cr，Fe 的外擴散現象。

3 結論

鎳基高溫合金經激光熔凝處理后表層晶粒出現明顯細化。激光熔凝處理及滲層制備溫度對滲層表層的組成相沒有影響，但對滲層厚度影響顯著。合金經激光熔凝預處理后，其表面經900 ℃/5 h 所制備的滲層與未預處理合金的經1050 ℃/5 h 所制備的滲層厚度及組織結構相似，由此可見，激光熔凝預處理可有效降低合金表面鋁化物滲層的制備溫度，減輕滲層制備時的高溫長時處理對基體合金力學性能的影響。